22.09.15 | Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Tschierse * / Kristin Rinortner
Um einer Fahrzeuglebensdauer von 18 Jahren und mehr zu genügen, ist die Kenntnis der Lastwechsel sowie der elektrischen Parameter der Kfz-Applikationen wichtig. Wir zeigen, worauf es ankommt.
Bei einer derzeitigen durchschnittlichen Kfz-Lebensdauer von 18 Jahren in Deutschland (14 bis 26 Jahre je nach Automarke; Stand 2014 [1]), müssen auch selten genutzte Anwendungen des Kraftfahrzeuges nach vielen Jahren immer noch funktionsfähig sein.
Viele von diesen werden von elektromechanischen Relais geschaltet. Im Durchschnitt sind etwa 20 elektromechanische Relais im Fahrzeug eingebaut. Bei vollausgestatteten Premiumfahrzeugen können es sogar bis zu 100 Relais sein [2].
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Um eine Fahrzeuglebensdauer von 18 Jahren und mehr zu überstehen, ist die Kenntnis der zu erwartenden Lastwechsel der Relais wichtig. Es muss geklärt werden, ob ein Relais, das laut Datenblatt, 200.000 Mal eine Widerstandslast von 30 A schalten kann, beispielsweise ebenfalls 100.000 Mal eine induktive Motorlast von 350 W schalten kann [3]. Bei Fahrzeugen geht man von maximal 150.000 Startvorgängen über die Lebensdauer aus. Umgerechnet auf die Startvorgänge pro Tag kommen wir bei 18 Jahren Gebrauchsdauer auf 23 Starts. Bei 26 Jahren sind es 16 Starts pro Tag und 29 bei einer Gebrauchsdauer von nur 14 Jahren.
Viele im Automobil verwendete Relais werden, im Vergleich zur Betriebsdauer des Wagens, nur kurz verwendet, sind also nicht während der ganzen Fahrt aktiviert. Hierzu gehören unter anderem Applikationen wie das Zentralverriegelungssystem (ZV), der Starter, die elektrische Handbremse und ? eher selten aktiv im Vergleich zur Anzahl von Startvorgängen ? die Sitzverstellung, das Heckklappenschloss, die Tankdeckelverriegelung sowie die Fensterheber (FH).
Der zeitliche Rahmen, in der diese Funktionen aktiviert sind, bewegt sich zwischen 200 ms bis zu etwa 1 min. Für die überwiegende Anzahl der genannten Anwendungen werden jeweils zwei Wechsler-Relais in typischer Umpolschaltung verwendet (Bild 1, Prinzipschaltbild). Das zweite Relais ist dann für die Umpolung bzw. für die Änderung der Drehrichtung zuständig.
Bei der Auswahl der Relais ist ? neben der geforderten Schaltspielzahl ? die Kenntnis der elektrischen Parameter der zu schaltenden Applikation notwendig. Hierzu gehören der maximale Einschalt- und Ausschaltstrom, sowie die Induktivitäten der zu schaltenden Stellmotoren.
Die zur geforderten Schaltspielzahl zusätzlich erforderlichen Randbedingungen und Parameter sind im Folgenden kurz zusammengestellt. In Klammern dargestellt sind die Werte aus dem Automobilbereich:
- TUmax: Maximal zulässige Umgebungstemperatur (85°C; 105°C; 125°C)
- Imax, ein: Maximaler Einschaltstrom (3 bis 85 A)
- TRSpule: Maximal erlaubte Temperatur der Relaisspulendrahtwicklung. Je nach verwendeter Isolationsdrahtklasse (155°C; 180°C oder 220°C)
- tan: Zeitliche Dauer der Strombelastung (200 ms bis 10 h?.)
- LM: E-Motorinduktivität (0,2 bis 5 mH)
- Imax, aus: Maximaler Ausschaltstrom (3 bis 70 A)
- TLmax: Maximal erlaubte Leiterplattentemperatur (bisher 130°C)
Die Strombelastung Imax, ein und Imax, aus
In Tabelle 1 sind einige typische Werte für Kurzzeitanwendungen zusammengestellt. Bei der Auswahl der in Frage kommenden Relais nach der Stromklasse ist der Elektronikentwickler im ersten Moment verunsichert. Die am Markt verfügbaren Relais, nach ?Dauerstromtragfähigkeit? ausgewählt, erscheinen viel zu groß und überdimensioniert für den zur Verfügung stehenden Platz auf der Leiterplatte.
Erinnern wir uns an die Definition des Dauerstroms: Größter Wert der Stromstärke, die ein geschlossener Kontaktstromkreis oder ein durchgeschalteter Ausgangsstromkreis unter festgelegten Bedingungen dauerhaft führen kann. Diese sehr allgemeine Definition muss natürlich noch mit den zu erfüllenden Randparametern ? festgelegten Bedingungen ? ergänzt werden.
Also der maximal zulässige Strom über einen geschlossenen Relaiskontakt, bei dem eine unzulässige Erwärmung noch nicht erwartet wird. Bei einem dauerhaften Überschreiten dieses Wertes muss im schlimmsten Fall mit der Zerstörung des Relais, aber in jedem Fall mit einer Einschränkung der Leistungswerte des Relais gerechnet werden.
Einige Hersteller geben statt des Dauerstromes in ihren Datenblättern einen zeitlich begrenzten Maximalstrom (z.B. 1 h und 2 min) an. Hierbei wird als Ausfallkriterium die Zerstörung der Relaiswicklung (Windungsschluss) definiert.